低凈空廠房內樹根樁基坑圍護設計

黃光爵

(上海市建筑科學研究院 上海 200032)

0 引言

樹根樁是一種小直徑鉆孔灌注樁，在20世紀30年代初由意大利Fondedile公司首創，因其樁基形狀像“樹根”而得名，它具有機具簡單、施工方便、施工振動和噪聲小、對墻身和地基土幾乎不產生應力等特點[1]，可在狹小的空間內實現基坑的擋土功能。

高壓旋噴樁是由日本在20世紀70年代初期最先開發的地基加固技術，后在基坑工程中用于擋水和減少地基變形效果顯著，解決了許多復雜基坑工程中難題，確保了工程安全[2]。

某廠房因工藝升級需求增加設備而改建廠房，但既有廠房內部凈空、凈距較小，常見的基坑園護方法難以勝任，后創意性地采用了“樹根樁+旋噴樁”圍護方法，既有效地控制了基坑變形，又減少了工程拆費用，取得工程經濟、綠色、環保的良好效應。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

該工程為某產業技術平臺新增設備基礎工程，在廠房內部開挖基坑。廠房柱網15m×9m，凈高約9m。該廠房建筑為預制管樁基礎，原來無地下室，于2009年交付使用。后因生產工藝升級需要在廠房中增加設備基礎，基坑開挖深度最深為4.01m。設備基礎結構剖面示意圖如圖1所示。基坑邊線離廠房建筑基礎最近1.37m。

圖1 設備基礎剖面示意圖

1.2 地質情況

依據勘察資料，地質按年代和力學性質自上而下土質包括：

第①層填土，平均厚度2.23m。第②層粉質黏土夾粘質粉土，平均厚度1.24m，可塑。第③層淤泥質粉質黏土，平均厚度8.08m，流塑。第④2層粘質粉土夾淤泥質粉質黏土，平均厚度3.35m。第⑤1層淤泥質粉質黏土，平均厚度4.16m，流塑。第⑤4層粉質黏土，平均厚度4.42m，軟塑。第⑥層粉質黏土，平均厚度2.98m，可塑。該基坑圍護設計土層參數參見表1。

表1 基坑圍護設計土層參數表

2 基坑圍護設計與施工

2.1 設計施工難點

基坑總面積不大，但基坑底面處在淤泥質粉質黏土上，土體物理力學指標低。新增設備基礎離廠房柱子較近，基坑開挖時廠房柱子為重點保護對象。廠房內部凈空低，施工場地狹小，廠房其余區域還在進行生產活動，新增基礎的施工不能破壞廠房原有結構，常見圍護技術難以在如此條件下實現擋土、止水的功能要求，基坑工程施工中受到許多不確定因素的影響，存在一定工程風險，因此需要特別考慮。

該項目為室內基坑，施工凈空和凈距均較小，存在施工操作方面的難點。基坑若采用放坡開挖是不合適的，土釘墻支護方案也應排除在外，只能采用垂直開挖方案，但常規的鉆孔灌注樁、鋼板樁和水泥土攪拌樁設備均無法正常進行圍護和止水帷幕的施工。雖然廠房為鋼筋混凝土框架結構，基礎為預制管樁獨立基礎，但廠房內部還在進行生產活動，對變形較敏感，一旦圍護或止水不當將易對廠房建筑物和生產活動產生不良影響。

2.2 樹根樁設計與施工

施工條件的限制致使常規鉆孔灌注樁、鋼板樁等大型設備均無法施工，經過充分調查和思考，并結合過往的工程經驗，最終想出了樹根樁圍護方案，不論從現場施工看還是從工程造價看，都具有很強的操作性。樹根樁的優點在于，由于口徑較小，可使用小型鉆機，故所需施工場地也較小，一般平面尺寸1m×1.5m及凈空高度2.5m即可施工，且施工噪音及振動小，不會給原有建筑物的穩定性帶來危險[3]。按現行規范和常用軟件計算，采用樹根樁圍護的基坑穩定性計算可同于一般鉆孔灌注樁。樹根樁長8.5m，插入比1.12，可滿足基坑開挖穩定性要求。另外，廠房凈高約9m，若樹根樁鋼筋籠過長，施工不便，鋼筋籠還可以分節施工，廠房上方還有行車，為樹根樁鋼筋籠的吊裝提供了便利。因此，樹根樁圍護方案便確定為該項目的最終方案。

根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2012)，樹根樁直徑通常為150mm～300mm。該基坑開挖4.01m，采用常規的樁徑難以滿足基坑變形控制要求，因此需要對樁徑進行調整，最終樁徑擴大至500mm，樁間距布置為700mm。如此，樹根樁抗彎及抗剪能力得到了較大提升。經啟明星軟件計算，每根圍護樁最大水平位移13.3mm，最大彎矩113.2kN·m，最大剪力52.8kN，而每根樁抗力系數為1.28～61.12，能滿足基坑及周邊環境的安全和變形要求。在樹根樁樁頂設有壓頂冠梁，使之形成一個整體，同時局部陽角處設置支撐以更好地控制基坑變形。混凝土強度等級為C30，采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。

樹根樁的成樁機理是[4]：在施工時先利用小型鉆機在指定位置鉆孔，到達設計標高后，清孔、下放鋼筋籠，同時放入注漿管，再用壓力注入水泥漿或水泥砂漿；邊灌、邊振、邊拔管(升漿法)而成樁。因該工程樹根樁樁徑大于150mm，在放入鋼筋籠后需再放入碎石，然后注入水泥漿而成樁。注漿壓力0.3MPa～0.5MPa，水灰比0.45～0.55，壓漿在孔口冒漿后方可停止。樹根樁垂直度要求不大于0.5%。

2.3 高壓旋噴樁設計與施工

場地地下水位較高，樹根樁外側需要止水，同時也必須選擇相對小巧的施工設備，該工程最終選擇了高壓旋噴樁。工程的高壓旋噴樁具體分為兩種，一種布置于樹根樁之間起到止水作用；另一種布置于坑內不同高差之間起到擋土作用。高壓旋噴樁水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比1.0，可根據現場施工情況調整。高壓水泥漿壓力不宜小于20MPa，離廠房基礎較近的位置壓力可適當調整以減小施工對廠房的影響。高壓旋噴樁采用雙管法，樁徑500mm，垂直度要求≤0.5%。作為止水帷幕的高壓旋噴樁樁長8m；作為坑內擋土結構的高壓旋噴樁樁長6m，搭接150mm。

基坑圍護設計平面圖、剖面圖如圖2～圖3所示。開挖后的情形如圖4所示。

圖2 基坑圍護設計平面圖

圖3 基坑圍護設計剖面圖

圖4 開挖后基坑情形

2.4 施工控制與監測

樹根樁在施工過程中采用間隔跳打的施工工序和合理的工藝參數，保證緊靠圍護體的既有廠房建筑不受過大擾動。控制好鉆機旋轉速度和壓漿管噴漿壓力，在注漿壓漿后漿液初凝時上部用攪拌好的細石混凝土填入空隙中并振動密實，確保樁體的完整，注漿漿液中加入一定比例的早強劑，以增加水泥凝固體的早期強度，減少因施工引起的沉降。

高壓旋噴樁施工時控制好提升速度、旋轉速度、注漿壓力、流量和漿液水灰比等，要求施工期間現場技術人員全程盯控，根據監測結果隨時調整以上參數，減少施工對建筑物的影響。明確基坑土方開挖須在圍護結構28d齡期過后再進行，高壓旋噴樁抗壓強度不得低于0.8MPa。

在施工基坑圍護結構過程中，除了必要破除的室內地坪外，其他地坪均予以保留，一方面減少施工對廠房內部地坪影響的同時，另一方面有利于保留室內地坪對基坑變形控制。

施工過程進行了建筑物沉降跟蹤監測，監測點平面布置圖如圖5所示。2017年10月11日開始打樁，12月13日基坑開挖到底，12月19日基礎澆筑完成，2018年1月20日設備安裝完成，監測點變形趨勢圖如圖6所示。在所有測點中，沉降最大的是F1測點，累計沉降2.6mm，上抬最大的是F6測點，累計上抬4.9mm。結果顯示，廠房建筑物在施工過程中豎向變形較小，滿足規范要求。對于上抬4.9mmF6測點，進行原因分析，主要是受高壓旋噴樁施工造成擠土效應的影響。

圖5 監測點平面布置圖

圖6 監測點變形趨勢圖(單位：mm)

3 結語

(1)由于室內空間狹小，常規的基坑圍護方法難以完成任務，極具創意的樹根樁+旋噴樁的圍護方法克服了這些限制，巧妙地實現了室內小凈空、小凈距條件下的基坑圍護，該圍護方法采用的設備相對較小，施工工藝較簡單，場地適應性較強，在類似環境下會是個很好的應用，可為相關工程提供借鑒與參考價值。

(2)基坑工程過程中采用信息化施工，對周邊環境實施了及時監測，有利于保障鄰近建筑物的安全。監測結果表明，采用樹根樁+高壓旋噴樁的基坑圍護方法在該工程中具有良好的變形控制能力，鄰近建筑結構變形很小，完全滿足承載力和變形要求。

(3)基坑安全性和經濟性往往是矛盾的，該工程采用的樹根樁+高壓旋噴樁基坑圍護方法很好地協調了這兩者的關系。另外，基坑圍護區域以外保留廠房室內地坪，這對基坑周圍的土體起到限制作用，對基坑變形控制有利，也減少工程拆建費用，使工程更加經濟綠色環保。